《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于TCP/IP協(xié)議的高精度多路超聲信號采集系統(tǒng)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第2期
郭黎利, 陳 亮
哈爾濱工程大學(xué), 黑龍江 哈爾濱 150001
摘要: 針對超聲結(jié)構(gòu)探測應(yīng)用中回波信號信噪比低且動態(tài)范圍大的特性,提出了一種基于分布式總線型結(jié)構(gòu)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以DSP器件為控制核心,配合網(wǎng)絡(luò)接口芯片實現(xiàn)了基于TCP/IP協(xié)議的節(jié)點間通信,同時在信號采集前端采用基于預(yù)采樣的自動增益技術(shù),提高了采集精度。通過測試表明,該系統(tǒng)具有良好的性能,具有較高的實用價值。
關(guān)鍵詞: DSP TCPIP 數(shù)據(jù)采集
中圖分類號:TP274.2
文獻標(biāo)識碼: B
文章編號: 0258-7998(2011)02-0078-04
High-precision multi-channel ultrasonic signal acquisition system based on TCP/IP protocol
Guo Lili, Chen Liang
Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
Abstract: To solve the ultrasonic signal acquisition problem in low SNR and high dynamic range, a multi-channel data acquisition system based on distributed bus structure is proposed. The DSP, which is the controller of the system, combined with the network interface chip are utlized to implement the system. Furthermore, the AGC technology based on pre-sampling is applied in the front of data acquisition system to improve the accuracy. The system is tested and the experimental results show that the system has significant value for practical application, and attains to the demand of high-performance system.
Key words : DSP; TCP/IP; data acquisition


    利用超聲波對路橋等建筑進行結(jié)構(gòu)檢測時通常都需要在大空間范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)采集,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式是將遠端各個傳感器的模擬信號通過電纜引入近端數(shù)據(jù)采集板卡,由具有多路A/D轉(zhuǎn)換功能的數(shù)據(jù)采集板卡進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并送入上位機。長距離的傳輸模擬信號容易引入較大的噪聲,降低系統(tǒng)的精度。隨著嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,可以將數(shù)據(jù)采集節(jié)點直接放在各個傳感器附近進行數(shù)據(jù)采集,將轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號通過TCP/IP協(xié)議傳入中心控制節(jié)點。本文設(shè)計了一個基于TCP/IP協(xié)議的高精度多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)以TMS320VC5X系列的DSP器件為主控芯片,可以進行大空間范圍的高精度數(shù)據(jù)采集。另外,超聲回波信號通常具有較大的動態(tài)范圍,基于傳統(tǒng)運放的放大技術(shù)不能對信號的動態(tài)范圍進行限制,這使得A/D轉(zhuǎn)換的精度降低。本文提出了一種基于預(yù)采樣的自動增益電路,可以將輸入信號調(diào)整到A/D轉(zhuǎn)換器的最佳輸入范圍內(nèi),提高了A/D轉(zhuǎn)換的精度。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計和性能
1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

    本系統(tǒng)分為中心控制節(jié)點和若干數(shù)據(jù)采集節(jié)點。系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)為總線型結(jié)構(gòu),節(jié)點間以TCP/IP協(xié)議進行通信。系統(tǒng)開始工作后首先由中心節(jié)點以UDP廣播報的形式向所有的數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)出開始采集命令,數(shù)據(jù)采集節(jié)點接到命令后同步開始數(shù)據(jù)采集,采集完一個包的數(shù)據(jù)后按照預(yù)定的格式以UDP報的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送給中心控制節(jié)點。為解決總線型結(jié)構(gòu)通信中常遇到的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題,本系統(tǒng)將每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點所發(fā)送的第一個包設(shè)計為不同的長度,分支節(jié)點1在采集完n1個點后發(fā)送,分支節(jié)點2在采集完n2個點后發(fā)送,…分支節(jié)點N在采集完nN個節(jié)點后發(fā)送。以后的數(shù)據(jù)包都是等長的,這就分散了網(wǎng)絡(luò)的負載,使得發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁堵的幾率大大降低[3]。中心控制節(jié)點負責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)保存入SD卡中。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)性能指標(biāo)
    根據(jù)實際需要,本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下:(1)數(shù)據(jù)采集節(jié)點數(shù) 1~48道可調(diào);(2)每個通道最大采樣率:大于100 KS/s;(3)采樣精度:24位;(4)道間串?dāng)_抑制比:大于70 dB;(5)采集信號動態(tài)范圍:120 dB; (6)每通道的最大傳輸速率:10 Mb/s;(7)儀器噪聲:最大15 μV。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件設(shè)計

    數(shù)據(jù)采集節(jié)點采用TMS320VC5402A DSP芯片作為主控芯片,其最高處理能力可以達到160 MIPS,具有16 K×16 bit的片上RAM,片上配置了3個多通道緩沖串口(可配置為SPI模式),具有快速的中斷響應(yīng)能力,同時具有多種低功耗模式,這些特性滿足了系統(tǒng)實時性和低功耗的要求,同時其價格相對低廉,有利于降低系統(tǒng)的成本。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用24位高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7767,AD7767采用SPI接口,最高采樣頻率可達128 kS/s,在最高工作頻率下的功耗僅為15 mW。網(wǎng)絡(luò)通信芯片采用RTL8019AS芯片,將RTL8019AS芯片的AUI接口與同軸電纜驅(qū)動芯片DP8392連接,可實現(xiàn)基于10Base2的細同軸電纜通信。數(shù)據(jù)采集節(jié)點的框圖如圖2所示。

2.2 自動增益模塊設(shè)計
    在很多場合下,例如超聲檢測,地質(zhì)勘探都需要達到很高的采集精度,目前的24位A/D轉(zhuǎn)換芯片實際上并不能真正的達到24位,同時輸入的模擬信號往往具有很大的動態(tài)范圍,不能處于A/D轉(zhuǎn)換芯片的最佳轉(zhuǎn)換范圍,因此,本系統(tǒng)采用了基于預(yù)采樣和可編程放大器的自動增益電路,以提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換精度。前端自動增益模塊的框圖如圖3所示。

    要采集的模擬信號首先經(jīng)過放大倍數(shù)為1的高精度運放OPA227,以提高信號的輸入阻抗,減小A/D轉(zhuǎn)換器對信號的影響。然后將信號送入8位的高速A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510,進行預(yù)采樣,將轉(zhuǎn)換完的結(jié)果送入CPLD進行編碼,小信號對應(yīng)較大的放大階碼,大信號對應(yīng)較小的放大階碼。用此放大階碼控制可編程增益放大器PGA103,達到自動增益的目的。同時DSP讀取CPLD產(chǎn)生的放大階碼,和AD7767采得的數(shù)據(jù)一起保存,提高采集的精度。
2.3 中心控制節(jié)點的設(shè)計
    中心控制節(jié)點主要實現(xiàn)控制各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點、接收采集的數(shù)據(jù)并保存入SD卡的功能。中心控制節(jié)點的設(shè)計框圖如圖4所示。

    由于中心控制節(jié)點要承擔(dān)較為繁雜的控制任務(wù),并且要保存較大的數(shù)據(jù), 所以它的主控芯片采用TMS320VC5509 ADSP芯片。TMS320VC5509A可以在200 MHz的主頻下穩(wěn)定工作,具有128 KB的片上RAM,同時可以擴展4 M×16 bit的片外SDRAM,具有支持SD模式和DMA傳輸?shù)腟D卡控制器,有利于系統(tǒng)的集成,減小系統(tǒng)的體積。網(wǎng)絡(luò)通信接口的設(shè)計與數(shù)據(jù)采集節(jié)點相同。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 中心控制節(jié)點軟件設(shè)計

     中心控制節(jié)點的軟件設(shè)計主要包括兩點,一是控制數(shù)據(jù)采集節(jié)點的開始與停止,二是接收并保存數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)的通信采用的是基于面向無連接的UDP數(shù)據(jù)報協(xié)議,并且系統(tǒng)所掛的分支數(shù)據(jù)采集節(jié)點數(shù)是可選擇的,所以為了確保數(shù)據(jù)的正確傳輸和確定系統(tǒng)所掛的分支節(jié)點數(shù),在工作開始的階段增加了一個握手的過程。首先數(shù)據(jù)采集節(jié)點在上電初始化后向中心節(jié)點發(fā)送建立連接請求,中心節(jié)點在接收到連接請求后保存該節(jié)點的IP地址,并檢測是否有足夠的內(nèi)存資源,若內(nèi)存夠,則向相應(yīng)節(jié)點發(fā)送連接成功數(shù)據(jù)報,若內(nèi)存資源不夠,則發(fā)送連接失敗數(shù)據(jù)報。握手過程進行后中心控制節(jié)點發(fā)送開始采集廣播報,隨后各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點開始數(shù)據(jù)采集。為了及時接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù),中心節(jié)點將接收子程序放入中斷中,在非中斷期間進行SD卡的寫操作。中心控制節(jié)點的軟件流程圖如圖5所示。為了保證系統(tǒng)的實時性,在對SD卡的操作中并未應(yīng)用文件系統(tǒng),而是將DSP中各個緩沖區(qū)的內(nèi)容依次寫入SD卡的相鄰地址中,這樣若系統(tǒng)所掛的數(shù)據(jù)采集節(jié)點為N個,則第i個節(jié)點的兩幀數(shù)據(jù)中間相隔N-1個數(shù)據(jù)幀。在讀取SD的上位機中編寫相應(yīng)的軟件便可正確讀取每一個數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設(shè)計
3.2.1 數(shù)據(jù)格式的設(shè)計
    每一個采樣點的數(shù)據(jù)采用32位長整形來存儲,包括24 bit的A/D采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果,4 bit的放大階碼,其余位用0填充。UDP報除去數(shù)據(jù)鏈路層的包頭,有效的負載為46~1 500 B,再除去UDP的首部8 B和IP的首部20 B,這樣一個UDP幀的有效最大負載為1 472 B。因為在中心節(jié)點寫入SD卡的過程中沒有采用文件系統(tǒng),所以需要在數(shù)據(jù)幀中添加必要的輔助信息,為此在每個包后附加一個8 bit的節(jié)點號信息和和一個24 bit的數(shù)據(jù)包號信息,這樣除每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送的第一幀為避免沖突而采用不同的幀長度外,每一個UDP幀發(fā)送45個采樣點的數(shù)據(jù),具體的數(shù)據(jù)格式如圖6所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點工作流程
    數(shù)據(jù)采集節(jié)點的軟件設(shè)計主要包括按照中心控制節(jié)點的命令進行采集以及將采集到的數(shù)據(jù)進行封裝并發(fā)送到中心控制節(jié)點。首先在上電初始化后,和中心節(jié)點進行握手,握手成功后,等待開始采集命令,接到開始采集命令后開始采集,在A/D轉(zhuǎn)換完成中斷中進行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和放大階碼的讀取,在非中斷期間發(fā)送數(shù)據(jù)到中心控制節(jié)點。由于A/D轉(zhuǎn)換芯片輸出兩次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的時間間隔較小,并不能保證在這段時間中數(shù)據(jù)被完全發(fā)送,新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可能會覆蓋掉未發(fā)送的數(shù)據(jù)。因此采用“乒乓”操作技術(shù),在分支節(jié)點的DSP中開辟兩個發(fā)送緩沖區(qū),當(dāng)一個發(fā)送緩沖區(qū)滿的時候?qū)/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫入另一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū),同時發(fā)送此緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。這樣,數(shù)據(jù)只要在兩個緩沖區(qū)同時寫滿之前發(fā)送完成就不會造成數(shù)據(jù)的丟失。具體的流程圖如圖7所示。
4 實驗結(jié)果及結(jié)論
    為了驗證本系統(tǒng)的性能,對已知的正弦波信號源進行采集,并和MPS-140801多路數(shù)據(jù)采集卡進行對比。MPS-140801采集卡在一塊板卡上集成了八路數(shù)據(jù)采集通路,將遠端傳感器的模擬信號引到近端經(jīng)過放大后進行采集。
    實驗時數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x為50 m。測試信號是峰值為2 V,頻率為20 kHz的正弦波。
    圖8為本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集結(jié)果,圖9為MPS-140801數(shù)據(jù)采集卡的采集結(jié)果。

    通過采集到的波形可以明顯看出,經(jīng)過長距離的傳輸后,MPS-140801數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)混入了較多的噪聲。計算得出本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信噪比比MPS-140801數(shù)據(jù)采集卡的信噪比提高了近20 dB,從而驗證了本系統(tǒng)較傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡具有較高的精度。
    本文設(shè)計的基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)娜虜?shù)字化,同時采用基于預(yù)采樣的自動增益處理技術(shù),大大提高了系統(tǒng)的精度,從而具有較高的實用價值。
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